三板溪面板堆石壩主壩沉降資料分析

張玉平，黃文萃

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南省長沙市 410000）

0 引言

三板溪水電站樞紐為一等大型工程，具有多年調節性能，主要由主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統、地下廠房、尾水系統等組成。三板溪主副壩均為混凝土面板堆石壩，壩頂高程482.5m，壩頂寬10.0m，壩頂長424m，高趾墻為44m，上、下游壩坡均為1：1.4。主壩混凝土面板分三期澆筑完成，面板厚度從上至下為漸變，頂部厚度0.30m，最大壩高剖面的面板底部厚度0.91m[1-2]。面板混凝土為聚丙烯纖維混凝土，混凝土強度等級為C30，抗滲標號W12。主壩堆石填筑總量828.3萬m3，壩體平均填筑強度為41.5萬m3/月、高峰填筑強度達72萬m3/月[3]。三板溪樞紐工程于2002年7月開工，2003年9月實現大江截流，2006年1月7日水庫下閘蓄水，2006年4月三板溪水電站首臺機組投產發電。

主壩內部沉降采用水管式沉降儀監測，內部水平位移采用引張線式水平位移計。在主壩左0+008.20m斷面及主壩右0+071.80m斷面的346.00、379.00、404.00m及445.00m高程各設置1條內部變形測線，共計布置48支水管式沉降儀。另外，在壩軸線0+0.0m和上游側0-80.0m設置縱向觀測斷面，分別埋設8組和2組土位移計，監測岸坡堆石體的軸向變形[4-5]。

內部變形觀測主要對主壩壩后左0+008.2斷面、主壩壩后右0+071.8兩觀測斷面的EL445、404、379、346m高程采用水管沉降，進行壩體內部的沉降監測。從開始建點到采集數據，設備開始出現很多問題，數據多次中斷，直到2016年上半年，經過廠家對每個測點進行現場測試，并確認設備無法正常運行。故此，本次數據分析沒有內部數據分析。

1 測點布置

主壩壩頂、上游面板、下游各層馬道布置了6條測線，共43個測點，測點布置，由左向右遞增，如壩頂測點SA5-01至SA5-10，壩前馬道測點是SA6-01至SA6-10，壩后有4條馬道，按高程高低排序，有SA4、SA3、SA2、SA1為端點的馬道測點，其變形測點編號也是前所述布置的。垂直向位移，壩頂采用幾何水準法測量，478m高程沉降于2005年10月開始觀測。2007年初，壩頂完建，設立永久沉降測點開始觀測。壩后各層馬道采用三角高程測量法，于2008年7月開始觀測，但觀測精度較低。2009年7月馬道表面所有沉降測點改為水準測量。壩前水準于2010年6月開始監測。

2 沉降分析

2.1 壩頂變形

2.1.1 蓄水期

從測量數據及過程線來看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期間，下沉速度較快，2007年10月后，下沉速度逐漸減緩，減緩趨勢顯著；2007年，SA05-05點最大沉降量達137.57mm。

主壩壩頂各測點復相關系數均達到1.00，標準差在0.26～0.70mm之間。主壩壩頂各測點主要為時效分量（所占比例在87.10%～98.21%之間），時效分量最大變幅為82.78mm（SA05-6），發展速率約為1.38mm/月，目前變形仍未穩定。從測量數據來看，首次蓄水期及2007年下半年高水位期間，下沉速度較快，2007年10月后，下沉速度逐漸減緩。

2.1.2 運行期

從2007年10月到2019年度，主壩壩頂各水準測點繼續下沉，累計沉降及年變化幅度皆呈現出中間大、兩邊小的趨勢，符合面板堆石壩的沉降變形規律[6，7]。2019年最大沉降部位為SA05-5（主壩左0+009.0），累計沉降624.43mm，高于歷史極值612.57mm（2018年12月17日），2019年沉降速率為10.43mm/年（2018年為13.17mm/年），平均為0.87mm/月，速率較往年有所減緩。主壩壩頂沉降過程線如圖1所示，但SA05-08、SA05-09和SA05-10測點2006年數據缺失，記錄數據不完整。

圖1 主壩壩頂沉降過程線圖Figure 1 The settlement curve of the dam crest

2.1.3 壩頂變形定量分析

壩頂變形定量分析的主要目的是了解大壩及其基礎隨時間的演變過程，即將不可恢復或演進性現象和水位、溫度條件引起的可恢復現象分辨出來，目前各種大壩安全監控數學模型的應用都是這一思想的具體實現。任一變形監測量的回歸方程為δ=δ（H）+δ（T）+δ（t），即變形量主要由水位、溫度和時效3個分量組成。主壩壩頂沉降回歸結果特征值如表1所示。

表1 主壩壩頂沉降回歸結果特征值表Table 1 The regression eigenvalue of the dam crest settlement data

續表

2.1.4 壩頂特征點綜合分析

主壩壩頂測點沉降回歸擬合圖見圖2。多個因子組成回歸方程，采用逐步回歸法求解最終方程。無論測點位置不同，還是變化的數值不同，通過多個因子組成回歸方程及逐步回歸法求解的最終方程，找到與實際變化的量對應的數學模型，其變化趨勢和大小是一致的。

圖2 主壩壩頂測點沉降回歸擬合圖Figure 2 The regression fitting of the dam crest settlement data

2.2 壩前

如圖3所示主壩壩前沉降過程線顯示主壩壩前整體為下沉趨勢，累計沉降及年變化幅度表現為中間大、兩岸小。2019年累計沉降量在36.35～181.50mm之間，最大沉降部位為SA06-6（主壩右0+040.0），累計沉降181.50mm，2019年沉降速率為10.00mm/年（2018年為11.88mm/年），平均為0.83mm/月（2018年為0.99mm/月），速率較往年有所減緩。各測點復相關系數均在0.98～1.00之間，標準差在0.55～0.97mm之間，模型精度和效果基本滿足分析要求。主壩壩前各測點主要為時效分量（所占比例在58.54%～97.38%之間），時效分量最大變幅為78.97mm（SA06-6），發展速率約為1.32mm/月，目前變形尚未穩定。

圖3 主壩壩前沉降過程線圖Figure 3 The settlement curve of the front of the dam

2.3 壩后

壩后觀測房自開始（2004～2005年間）觀測，至2007年11月，最大下沉為395mm（發生在413.6m馬道壩右0+071.8m），2008年7月與壩后馬道其他表面沉降測點采用三角高程方法測量，觀測精度較低，測值難以反映馬道實際位移[8]。

如圖4～圖7所示，2009年7月馬道表面所有沉降測點改為水準測量，從2009年7月開始至2016年12月測值來看，馬道呈繼續下沉趨勢，沉降幅度為上面大、下面小，中間大、兩邊小的狀態，符合面板堆石壩的沉降變形特點。壩后馬道同樣受庫水位的影響，445、404、379m高程馬道的沉降受庫水位影響，年變幅要大一些，而且呈相似性變化；346m高程馬道，由于高程較低，庫水位對它的影響也小一些。

圖4 445m高程馬道沉降年較差與水位變幅過程線Figure 4 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 445m road

圖5 404m高程馬道沉降年較差與水位變幅過程線Figure 5 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 404m road

圖6 379m高程馬道沉降年較差與水位變幅過程線Figure 6 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 379m road

圖7 346m高程馬道沉降年較差與水位變幅過程線Figure 7 The relationship between the settlement annual range and the water line variable of the 346m road

從2009年7月開始至2019年12月底測值來看，壩后馬道呈繼續下沉趨勢，沉降幅度為上層大、下層小，中間大、兩邊小的狀態，符合面板堆石壩的沉降變形規律。2019年壩后最大累計沉降點發生在445m高程馬道的SA04-5，累計沉陷量為188.31mm，高于歷史極值177.16mm（2018年12月17日），2019年沉降速率為10.61mm/年（2018年為10.66mm/年），較往年減緩。404m高程馬道年變幅為1.38～6.14mm，379m高程馬道年變幅為1.79～3.58mm，346m高程馬道年變幅為0.71～1.45mm。較往年相比，年沉降量在逐漸變小。

選取主壩壩后馬道23個測點進行回歸擬合曲線，如圖8所示。

圖8 主壩壩后測點沉降回歸擬合曲線Figure 8 The regression fitting of the settlement measured data of the back of the dam

主壩壩后各馬道測點復相關系數均在0.96～1.00之間，標準差在0.11～0.44mm之間，模型精度和效果滿足分析要求。主壩壩后445m高程馬道主要為時效分量（所占比例在93.35%～98.70%之間），時效分量最大變幅為67.86mm（SA04-5），發展速率約為1.13mm/月，目前變形尚未穩定。主壩壩后404m高程馬道主要為時效分量（所占比例在83.49%～96.68%之間），時效分量最大變幅為35.16mm（SA03-4），發展速率約為0.59mm/月，目前變形尚未穩定。主壩壩后379m高程馬道主要為時效分量（所占比例在83.49%～96.68%之間），時效分量最大變幅為23.08mm（SA02-3），發展速率約為0.38mm/月，目前變形尚未穩定。

3 結論

根據沉降數據分析，蓄水初期，主壩沉降尚未穩定，庫水位突增對沉降影響較大，但因監測數據不完整，這里就不做分析。主壩從2007年開始，主壩不同部位，沉降量變化都較大，直到2011年后，各部位沉降量開始變小；主壩，除346m高程馬道外，其他各監測部位與庫水位年變幅呈相似性變化，水位急速上升和持續高水位，對沉降影響較大；主壩沉降表現為中間大、兩邊小；高程較高的部位沉降大于高程較低的部位；主壩最大沉降點，發生在壩頂SA05-05測點，累計沉降600.78mm，年沉降速率16.51mm；目前，各測點沉降速率在逐年減小，除個別測點外，年沉降量基本上在15mm以內；從2014年開始，庫水位在460～475m區間變化時，壩頂沉降量要增大一些，其增加量為1～2mm；當前，主壩沉降是否穩定，還需進一步監測和分析。主壩壩前水準于2010年6月開始監測，整體為下沉趨勢，累計沉降及年變化幅度表現為中間大、兩岸小。2018年累計沉降量在33.63～170.23mm之間，最大沉降部位為SA06-6（主壩右0+040.0），2018年沉降速率為 11.88mm/年（2017年為14.85mm/年），平均為0.99mm/月（2017年為1.24mm/月），速率較往年有所減緩。主壩壩頂2018年最大沉降部位為SA05-5（主壩左0+009.0）累計沉降612.57mm，高于歷史極值599.20mm（2017年12月16日），2018年沉降速率為13.17mm/年（2017年為16.34mm/年），平均為1.10mm/月，速率較往年有所減緩。